DE3873626T2 - DEVICE FOR MEASURING THE RESISTANCE OF EARTH INFORMATION. - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING THE RESISTANCE OF EARTH INFORMATION.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde mit einer Anzahl Meßelektroden, z. B. Metall, das in Abständen voneinander auf einem Erdbohrer elektrisch isoliert angebracht ist und dazu dient, den elektrischen Widerstand in Erdformationen zu ermitteln, die von dem Erdbohrer durchquert worden sind.The invention relates to a probe with a number of measuring electrodes, e.g. metal, which are mounted at intervals on an earth drill in an electrically insulated manner and serve to determine the electrical resistance in earth formations which have been traversed by the earth drill.

Die US-Patentschrift 3,268,801 beschreibt eine solche Sonde, die in Verbindung mit einem üblichen Erdbohrer verwendet worden ist und ein glattes Bohrgestänge zum unteren Ende hin besitzt, an dem ein Bohrkopf befestigt ist. In diesem Falle besteht die Sonde aus einem Gestängesegment, das aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist. Die Sonde ist in die äußere Oberfläche des Bohrgestänges eingebettet und es sind ebenso zwei Meßelektroden in das isolierende Material eingebettet. Der Durchmesser des Bohrkopfes ist größer als der des Gestänges und es liegt dementsprechend ein ringförmiger Spalt zwischen dem Gestänge und der Wandung des Bohrloches vor. Während des Bohrvorganges wird durch diesen ringförmigen Spalt hindurch Bohrschlamm nach oben gespült. Der zur Messung verwendete Kontrollstrom muß dementsprechend nicht nur durch die (Erd-)Formationen, die zu untersuchen sind, sondern auch durch den Bohrschlamm und die Einfallzone hindurchgehen. Dasselbe gilt für den Spannungsabfall, der zu messen ist. Dies hat Meßfehler zur Folge, die notwendigerweise zu korrigieren sind. Um jedoch in diesem Zusammenhang zufriedenstellende Genauigkeit der Messung zu erreichen, müssen die Elektroden in relativ großem Abstand voneinander angeordnet sein, so daß der durch die Formation hindurchgehende Strom dort einen ausreichend großen Weg, vergleichsweise zum Durchgang durch den Bohrschlamm und die Einfallszone, zurücklegt.US Patent 3,268,801 describes such a probe, which has been used in conjunction with a conventional earth drill and has a smooth drill rod at the lower end to which a drill head is attached. In this case, the probe consists of a rod segment made of electrically insulating material. The probe is embedded in the outer surface of the drill rod and two measuring electrodes are also embedded in the insulating material. The diameter of the drill head is larger than that of the rod and there is therefore an annular gap between the rod and the wall of the borehole. During the drilling process, drilling mud is flushed upwards through this annular gap. The control current used for the measurement must therefore not only pass through the (earth) formations to be examined, but also through the drilling mud and the dip zone. The same applies to the voltage drop to be measured. This results in measurement errors that must necessarily be corrected. However, in order to achieve satisfactory measurement accuracy in this context, the electrodes must be arranged at a relatively large distance from one another so that the current passing through the formation covers a sufficiently large distance compared to the passage through the drilling mud and the dip zone.

Eine ähnliche Konstruktion ist aus der Schrift WO-A-83/01336 bekannt, die im einzelnen auf die Anordnung einer ersetzbaren isolierenden Buchse gerichtet ist, die um das untere Ende des Bohrstückes angeordnet ist. Es ist aber auch in diesem falle ein Zwischenraum zwischen der Sonde und der Wandung des Bohrloches vorhanden, so daß die Elektroden in relativ großem Abstand voneinander angeordnet sein müssen.A similar construction is known from the document WO-A-83/01336, which is directed in detail to the arrangement of a replaceable insulating bushing which is arranged around the lower end of the drill piece. However, in this case too there is a gap between the probe and the wall of the borehole, so that the electrodes must be arranged at a relatively large distance from each other.

Die bei solchen Elektrodenabständen erreichbare Auflösung in Vertikalrichtung genügt für manche Zwecke, z. B. für Öl- und Gasbohrungen. Für z. B. Wasserbohrungen in den oberen 100 m Erdschicht ist jedoch eine viel höhere vertikale Auflösung gefragt, da in diesem falle es häufig notwendig ist, daß man in der Lage ist, sehr dünne Lehmschichten zu erkennen, die eine wasserführende Schicht separieren.The vertical resolution achievable with such electrode spacing is sufficient for some purposes, e.g. for oil and gas drilling. However, for water drilling in the upper 100 m of the earth, a much higher vertical resolution is required, since in this case it is often necessary to be able to detect very thin layers of clay that separate a water-bearing layer.

Es ist somit Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Sonde der Art zu finden, wie sie oben in der Einleitung beschrieben ist, mit der es jedoch möglich ist, genauere Meßergebnisse mit größerer vertikaler Auflösung zu erreichen, als dies bisher bekannt ist.It is therefore the object of the present invention to find a probe of the type described above in the introduction, but with which it is possible to achieve more precise measurement results with greater vertical resolution than is previously known.

Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Sonde gelöst, wie sie in dem Anspruch 1 angegeben ist.This object is achieved with a probe according to the invention as specified in claim 1.

Diese bewirkt, daß die Wandung des Bohrloches so eng um das Bohrgestänge herumpassend ist, daß eine derartige Einfallszone vorliegt, die nur sehr geringen Einfluß auf die Meßergebnisse hat. Die Meßelektroden sind desweiteren in direktem Kontakt mit den zu untersuchenden Formationen und dementsprechend können die Elektroden in so geringem Abstand voneinander angebracht werden, daß sogar sehr dünne Lehmschichten bei z. B. Wasserbohrungen mit dieser erreichten vertikalen Auflösung identifiziert werden können.This means that the wall of the borehole fits so tightly around the drill rod that an incidence zone is created that has only a very small influence on the measurement results. The measuring electrodes are also in direct contact with the formations to be examined and the electrodes can therefore be placed so close together that even very thin layers of clay in water drilling, for example, can be identified with this vertical resolution.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung können die Meßelektroden Ringform und vorzugsweise denselben Außendurchmesser wie der Haupt-Meißelschaft haben. Die Bohrerwindung auf einem jeden dieser Ringe kann aus dem besagten elektrisch isolierenden Material bestehen. Damit ist eine besonders einfache und wenig kostspielige Konstruktion erreicht. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Satz aus miteinander verbundenen Meßelektroden desweiteren an einem separaten Meßbereich angebracht sein, wobei z. B. mittels Schraubverbindungen an beiden Enden eine solche Verbindung mit dem Rest des Bohrgestänges erreicht ist, daß die Bohrwindung des letzteren glatt in die Bohrwindung des Meßbereichs übergeht. Das hat zur Folge, daß die Meßelektroden rasch und leicht in das Bohrgestänge während des Bohrvorganges eingefügt werden können.According to an embodiment of the invention, the measuring electrodes can be ring-shaped and preferably have the same external diameter as the main bit shaft. The drill thread on each of these rings can be made of the said electrically insulating material. This achieves a particularly simple and inexpensive construction. In a particularly preferred embodiment of the invention, a set of interconnected measuring electrodes can also be attached to a separate measuring area, whereby a connection to the rest of the drill rod is achieved, for example by means of screw connections at both ends, in such a way that the drill thread of the latter merges smoothly into the drill thread of the measuring area. This has the consequence that the measuring electrodes can be quickly and easily inserted into the drill rod during the drilling process.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Haupt-Meißelschaft einen oder mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Kanäle haben. Durch diese Kanäle können die Elektroden mittels elektrischer Drähte mit einer elektrischen Betriebs- und Meßeinrichtung verbunden sein, die der Sonde zugeordnet und auf der Erdoberfläche positioniert ist. Auf diese Weise liegen die elektrischen Drahtverbindungen gut geschützt innerhalb des Bohrgestänges und die elektrische Betriebs- und Meßeinrichtung kann leicht zugänglich auf Erdniveau positioniert werden.According to a further embodiment of the invention, the main bit shaft can have one or more channels extending in the longitudinal direction. Through these channels, the electrodes can be connected by means of electrical wires to an electrical operating and measuring device which is associated with the probe and is positioned on the earth's surface. In this way, the electrical wire connections are well protected within the drill string and the electrical operating and measuring device can be positioned at earth level so that it is easily accessible.

Im nachfolgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren mehr ins einzelne gehend erläutert, wobeiIn the following, the invention is explained in more detail with reference to the figures,

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Erdbohrers mit einer erfindungsgemäßen Sonde,Fig. 1 is a side view of an earth drill with a probe according to the invention,

Fig. 2 eine Schnittansicht II-II aus Fig. 1 undFig. 2 is a sectional view II-II of Fig. 1 and

Fig. 3 eine Schnittansicht III-III aus Fig. 1 zeigen.Fig. 3 shows a sectional view III-III from Fig. 1.

Der Erdbohrer ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Er kann in Abschnitte mit angenähert 3 m Länge teilbar und zu einem Bohrgestänge von 60 m Länge mittels Schraubverbindung 3 zusammengesetzt sein. Die Verbindung 3 kann ein konisches Schraubgewinde oder eine andere geeignete lösbare Verbindung sein.The earth drill is designated 1 in Fig. 1. It can be divided into sections of approximately 3 m in length and assembled into a drill rod of 60 m in length by means of a screw connection 3. The connection 3 can be a conical screw thread or another suitable detachable connection.

Der Erdbohrer 1 umfaßt einen zylindrischen Haupt-Meißelschaft 7, eine Windung 8, die wendelförmig um den Meißelschaft angeordnet ist, und einen Bohrkopf (nicht dargestellt), der auf dem unteren Ende des Bohrers befestigt ist. Das Bohren erfolgt in der Weise, daß der Bohrer mittels eines nicht dargestellten, auf der Erdoberfläche vorgesehenen Anbohrapparates gedreht wird. So wie der Bohrer weiter in die Erde eindringt, werden neue Bohrerabschnitte nacheinander angebracht, bis die gewünschte Bohrtiefe erreicht ist. Während des Bohrvorganges transportiert das wendelförmige Gewinde die ausgebohrte Erde als weichen kontinuierlichen Fluß an die Erdoberfläche. Gleichzeitig schließt sich die Erde infolge des natürlichen Erddruckes dicht um den Bohrer herum.The earth drill 1 comprises a cylindrical main chisel shaft 7, a coil 8 arranged helically around the chisel shaft, and a drill head (not shown) attached to the lower end of the drill. Drilling is carried out by rotating the drill using a drilling device (not shown) provided on the earth's surface. As the drill penetrates further into the earth, new drill sections are attached one after the other until the desired drilling depth is reached. During the drilling process, the helical thread transports the drilled-out earth to the earth's surface as a soft, continuous flow. At the same time, the earth closes tightly around the drill due to the natural earth pressure.

Der gesamte Erdbohrer kann aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein. Eine bevorzugte Ausführungsform ist jedoch die, bei der der Bohrer über seine ganze Länge hinweg aus Stahl besteht. Dagegen sind solche Abschnitte des Bohrers, die als Meßabschnitte dienen (Fig. 3), als inneres Stahlrohr 4 mit außen umgebendem elektrisch isolierendem Rohrmaterial 6, z. B. Polyurethan, ausgeführt. Das Gewinde 8, das sich entlang des Meßabschnitts erstreckt, kann aus demselben Rohrmaterial 6 bestehen. Bei einer Ausführungsform kann der Meßabschnitt eine Länge von etwa 1,5 m und das Rohrmaterial 6 eine Wandstärke von etwa 5 mm haben. Eine Anzahl Meßelektroden 2 ist in passenden Axialabständen (Fig. 2) in die Außenwand des Rohrmaterials 6 eingebettet.The entire earth drill can be made of an electrically insulating material. However, a preferred embodiment is one in which the drill is made of steel over its entire length. In contrast, those sections of the drill that serve as measuring sections (Fig. 3) are designed as an inner steel tube 4 with an externally surrounding electrically insulating pipe material 6, e.g. polyurethane. The thread 8, which extends along the measuring section, can consist of the same pipe material 6. In one embodiment, the measuring section can have a length of about 1.5 m and the pipe material 6 a wall thickness of about 5 mm. A number of measuring electrodes 2 are embedded in the outer wall of the pipe material 6 at suitable axial distances (Fig. 2).

Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese Meßelektroden dünne Metallringe 2, die eine Materialdicke von etwa 2 mm haben. Im ganzen sind vier dieser Ringe 2 vorgesehen, die mittels elektrischer Drähte 5, die durch eine zentrale Bohrung 9 im Meißelschaft 7 geführt sind, mit einer Stromquelle und einer Meßeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden, die an der Erdoberfläche positioniert ist.In the embodiment shown, these measuring electrodes are thin metal rings 2, which have a material thickness of about 2 mm. A total of four of these rings 2 are provided, which are connected to a power source and a measuring device (not shown) positioned on the earth's surface by means of electrical wires 5, which are guided through a central bore 9 in the chisel shaft 7.

Die Messung wird in der Weise ausgeführt, daß man einen elektrischen Strom mit einer Stromstärke von ungefähr 1 bis 100 Milliampère durch die Erde, z. B. von der oberen Elektrode zur unteren Elektrode, etwa 1 Sekunde lang fließen läßt. Nach ungefähr 1 Sekunde wiederholt man den Meßvorgang in entgegengesetzter Weise. Während des Vorganges werden die erhaltenen Meßresultate desjenigen Spannungsabfalls aufgezeichnet, der in der Erdformation zwischen den zwei Elektroden im Mittel festgestellt wird.The measurement is carried out by allowing an electric current with a current intensity of approximately 1 to 100 milliamperes to flow through the earth, e.g. from the upper electrode to the lower electrode, for about 1 second. After about 1 second, the measurement procedure is repeated in the opposite way. During the procedure, the measurement results obtained are recorded for the voltage drop that is found on average in the earth formation between the two electrodes.

Unter Heranziehung von Referenzwerten können die Meßergebnisse dazu verwendet werden, die fraglichen Erdformationen zu identifizieren. Indem man üblicherweise alle 5 cm, die der Bohrer in das Erdreich fortschreitet, eine Messung ausführt, erhält man ein vollständiges Bild der um das Bohrloch herum vorhandenen Erdformationen.By using reference values, the measurement results can be used to identify the earth formations in question. By taking a measurement, typically every 5 cm that the drill advances into the ground, a complete picture of the earth formations present around the borehole is obtained.

Die Einfallszone beeinflußt, wie oben erwähnt, bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde das Meßergebnis nur vernachlässigbar und die aufgezeichneten Werte werden folglich wahrhaftiger und die vertikale Auflösung ist gleichzeitig weit größer als dies bisher bekannt ist, nämlich weil die Elektroden, wie schon ebenfalls oben erwähnt, in relativ engen Abständen positioniert werden können.As mentioned above, the incidence zone only has a negligible influence on the measurement result when using the probe according to the invention and the recorded values are therefore more accurate and the vertical resolution is at the same time far greater than previously known, namely because the electrodes, as also mentioned above, can be positioned at relatively close distances.

Es können mehrere Meßabschnitte innerhalb ein und desselben Bohrgestänges angebracht sein, wobei ein jeder Abschnitt verschiedene Elektrodenabstände haben kann. Auf diese Weise kann ein sogar noch stärker differenziertes Bild der Erdformationen aufgenommen werden, da dies-in ein und demselben Bohrvorgang in verschiedenen horizontalen Tiefen vom Erdbohrer, z. B. mit 10 cm mit einem Meßabschnitt und mit 30 cm in einem anderen Meßabschnitt, identifiziert werden können.Several measuring sections can be installed within one and the same drill string, with each section having different electrode spacing. In this way, an even more differentiated picture of the earth formations can be recorded, since these can be identified in one and the same drilling operation at different horizontal depths by the auger, e.g. at 10 cm with one measuring section and at 30 cm in another measuring section.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform hat der Meßabschnitt vier Elektroden. Es hindert jedoch nichts daran, entsprechend der vorliegenden Erfindung andere Anzahl von Elektroden vorzusehen.In the embodiment described above, the measuring section has four electrodes. However, there is nothing to prevent other numbers of electrodes from being provided in accordance with the present invention.

Claims (6)

1. Bohrloch-Meßsonde1. Borehole measuring probe mit einem wenigstens angenähert zylindrischen Meißelschaftteil (7), wobei das Meißelschaftteil mit anderen Meißelschaftteilen zu einem Bohrgestänge gekuppelt sein kann;with an at least approximately cylindrical chisel shaft part (7), whereby the chisel shaft part can be coupled with other chisel shaft parts to form a drill rod; mit einem spiraligen (wendelförmigen) Gewinde (8), das sich longitudinal über das Meißelschaftteil hinweg erstreckt, um ausgebohrte Erde zur Erdoberfläche heraufzutransportieren, wenn das Meißelschaftteil in die Erde hineingedreht wird, wobei das Meißelschaftteil ein Lochbohrer ist;with a spiral (helical) thread (8) extending longitudinally across the bit shank part for transporting drilled soil up to the surface of the earth as the bit shank part is rotated into the earth, the bit shank part being a hole drill; mit wenigstens einem Oberflächenanteil des Meißelschaftteils (7), über den hinweg sich das spiralige Gewinde (8) erstreckt, der ein elektrischer Isolator (6) ist, der sich nach innen von dem Oberflächenanteil aus zu einem Anteil des Radius des Meißelschaftteils erstreckt,with at least a surface portion of the chisel shaft part (7) over which the spiral thread (8) extends, which is an electrical insulator (6) extending inwardly from the surface portion to a portion of the radius of the chisel shaft part, mit wenigstens einer Meßelektrode (2), die in den elektrischen Isolator (6) eingebettet ist undwith at least one measuring electrode (2) which is embedded in the electrical insulator (6) and mit in dem Meißelschaftteil vorgesehenen Verbindungsmitteln (5) zur Verbindung der Meßelektrode mit (einer) elektrischen Betriebs- und Meßeinrichtung.with connecting means (5) provided in the chisel shaft part for connecting the measuring electrode to (an) electrical operating and measuring device. 2. Bohrloch-Meßsonde nach Anspruch 1, bei der der elektrische Isolator (6) und die Meßelektrode (2) um das Meißelschaftteil herum befindliche Ringe sind, wobei ein Anteil des spiraligen Gewindes eine Meßelektrode ist und der Anteil des spiraligen Gewindes auf der Meßelektrode ein anderer Isolator ist.2. Borehole measuring probe according to claim 1, wherein the electrical insulator (6) and the measuring electrode (2) are rings located around the bit shaft part, wherein a portion of the spiral thread is a measuring electrode and the portion of the spiral thread on the measuring electrode is another insulator. 3. Bohrloch-Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, bei der der elektrische Isolator-Oberflächenteil des Meißelschaftteils und die Meßelektrode einen äußeren Durchmesser haben, der gleich einem äußeren Durchmesser aller anderen Teile des Meißelschaftteils ist.3. A borehole logging probe according to claim 1 or 2, wherein the electrical insulator surface portion of the bit shaft portion and the measuring electrode have an outer diameter equal to an outer diameter of all other portions of the bit shaft portion. 4. Bohrloch-Meßsonde nach Anspruch 1, 2 oder 3, die des weiteren an einem Ende des Meißelschaftteils Mittel zum Ankuppeln desselben an ein anderes Meißelschaftteil zur Bildung eines Bohrgestänges hat,4. A borehole logging probe according to claim 1, 2 or 3, further comprising at one end of the bit shaft portion means for coupling the bit shaft portion to another bit shaft portion to form a drill string, wobei diese Mittel zum Ankuppeln (solche) Mittel zum Ankuppeln der Meißelschaftteile haben, daß die spiraligen Gewinde derselben glatt ineinander übergehen.wherein these means for coupling have means for coupling the chisel shaft parts such that the spiral threads of the same merge smoothly into one another. 5. Bohrloch-Meßsonde nach Anspruch 4, bei der diese Mittel zum Ankuppeln Schraubverbindungen sind.5. Borehole measuring probe according to claim 4, wherein these means for coupling are screw connections. 6. Bohrloch-Meßsonde nach Anspruch 1, bei der die Verbindungsmittel longitudinal durch das Meißelschaftteil hindurch von der Elektrode zu einem Ende desselben wenigstens einen Kanal haben, und wenigstens eine Leitung von der Elektrode her durch den Kanal hindurch zu diesem einen Ende geführt ist, zwecks einer Verbindung zu der elektrischen Betriebs- und Meßeinrichtung, wobei die letztere sich auf der Erdoberfläche befinden kann.6. A borehole logging probe according to claim 1, wherein the connecting means have at least one channel longitudinally through the bit shaft part from the electrode to one end thereof, and at least one line is led from the electrode through the channel to said one end for connection to the electrical operating and measuring device, which latter may be located on the earth's surface.
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